面向活检取样的典型生物软组织切削性能研究

摘要

临床上，包括癌症在内的许多疾病的最终诊断需要进行病理组织学检查，要做病理组织学检查必须取得病灶部位的组织样本。目前提取组织样本有两种方法:一是穿刺活检，二是外科手术。穿刺活检是利用取样针作为切削刀具切削下少量活体组织样本，在显微镜下进行病理组织学分析，然后确定其病情的一种检测方法。该方法能够缩短术后恢复期、减少并发症，是临床上的首选方法。鉴于癌症早期发现早期治疗的重要性，穿刺活检术得到了广泛的应用。
　　 目前穿刺活检手术过程中，由于缺乏具有良好切削性能的活检针，每次穿刺时仅能得到很少量的活体组织，有时需要在同一病灶位置反复多次穿刺才能取得满意的组织样本，手术时间较长，病人十分痛苦。医生使用锋利的针头切削并提取部分人体组织的过程，在形式上与机械切削加工过程极其相似，因此可以采用类比方法将穿刺活检看作组织切削过程。在这个过程中，针头是切削刀具，人体软组织是工件，要提取的组织样本是切屑。切削软组织比较困难，创伤最小且能满足病理诊断需要的组织切削更困难。本文参照取样特点，重点研究了组织取样刀具和典型生物软组织的切削性能，以期为新型高效微创活检针的研制提供理论支持。论文包括以下内容:
　　 (1)活检针几何结构建模及其切削性能研究。基于传统切削理论建立了针头几何模型并给出了针尖切削刃的数学模型，基于空间线面关系推导得出了单面活检针切削刃上刃倾角、法前角、前角和楔角的数学表达式，研究表明单面针尖切削刃上切削角度的分布仅与针尖顶角和方位角有关，顶角较小的活检针，其切削刃上分布着较大的刃倾角和法前角，因而具有更好的切削性能，有利于顺利切削软组织。在此基础上，详细分析了对称多面针尖、非对称多面针尖以及Coumand针尖的几何结构及其对切削性能的影响。
　　 (2)典型生物软组织力学性能研究。典型生物软组织力学性能研究的主要指标是超弹性以及粘弹性，详细分析了软组织超弹性和粘弹性建模方法，分别对猪肝脏组织进行了单轴拉伸试验和压痕试验。根据肝脏软组织单轴拉伸试验结果，得到了肝脏拉伸试样的应力破裂阈值为107.7士3.2KPa，分别使用多项式模型、减缩积分多项式模型和Ogden模型对拉伸试验进行了数值模拟，通过对比仿真结果证明四阶Ogden模型能够更好地表征组织试样的超弹性。针对拉伸试样制作和夹持困难、试样尺寸难以精确测量的难题，对完整肝脏组织进行了压痕试验，基于试验结果获得了Neo-Hookean超弹性模型和改进的Kelvin粘弹性模型的参数:C10=3.224±0.408KPa,D1=0.630±0.047MPa-1,τ1=0.4352±0.0369s,τ2=8.7689±1.6304s,使用以上材料模型对压痕试验进行了数值模拟，模拟结果显示初始阶段应力下降较快，之后应力松弛趋于缓和。
　　 (3)典型生物软组织切削性能研究。将软组织切削作为“压下式”切削处理，建立了典型软组织正交切削模型，分析了典型生物软组织的切削过程，得到了软组织切削应力场的影响因素。搭建了一套软组织切削装置，进行了软组织切削试验，结果表明在相同的切削速度下，增大法前角和刃倾角能够降低组织切削力，减小组织变形。提高切削速度会增大切削力，但是能够降低组织刺破前的变形深度。将超声振动引入穿刺活检，提出了超声振动辅助穿刺技术，建立了超声振动切削软组织的力学模型，从理论上证明了超声振动软组织切削力小于组织临界切削力，以猪肝脏组织为试验对象分别进行了软组织切削试验和穿刺试验，定量研究了振动频率对软组织切削的影响，试验结果表明附加振动能够减小组织切削力。
　　 (4)基于软组织斜角切削的活检针切削力模型。使用活检穿刺试验平台测量了活检针穿刺力曲线，分析了活检穿刺力的特点。以猪肝脏组织为试验对象，开展软组织斜角切削试验，构造了单元刀具单位刃长切削力参数模型，采用单元刀具综合法建立了针尖切削软组织的切削力泛函模型。该模型反映了针尖切削刃几何形状对针尖切削力的影响，为针尖建模、评价及术前穿刺路径规划提供了理论依据。进行了不同类型活检针取样试验，试验结果表明多面针尖能够获得更长更粗的组织样本。
　　 论文面向医学活检取样开展典型生物软组织切削研究，拓展了传统切削理论范畴，其特色在于将生物软组织作为被切削工件材料，借鉴传统的金属切削理论研究穿刺活检这一医学问题。其研究成果有助于推动新型高效微创活检针的研制，促进穿刺活检技术的发展。